应用型本科院校“机器人学”课程改革探索

席万强 邵子宴

摘 要：依据“机器人学”的课程性质，以及应用型本科院校的人才培养方案要求，以无锡学院为例，从学时安排、教材内容、教学方法、师资力量、考核方式等几方面剖析了“机器人学”教学过程中存在的問题。并从这几点详细探讨了实践性较强的课程改革方案，旨在提升学生学习热情，增强学生创新、自主学习意识，提高教学质量，为探索培养创新应用型人才模式提供参考。

关键词：机器人学；课程改革；应用型本科院校；教学质量

中图分类号：G642.0 文献标识码：A

机器人技术涉及机械工程、控制理论、计算机科学、电子科学、人工智能等多学科内容，是机电一体化的最高体现［1-2］。“机器人学”作为机器人技术相关专业培养计划中一门非常重要的专业基础课，是机器人研究的启蒙课程［3］。然而，对于应用型本科院校的学生来说，该课程理论性较强，需要较好的数学、力学、控制论等学科基础，学生学习过程较吃力，由此产生畏难情绪。为此，多名高校一线教师总结分享了自己对于这门课的教学经验。

陈修龙等［4］通过建设《机器人技术》案例库的方法，以此激发学生的兴趣，培养学生的实践创新能力。周妍等［5］对以项目为导向的线上线下混合教学模式的互动性课堂进行了教学效果的调研，结果表明新模式有利于提高学生兴趣。张彦斌等［6］针对工程教育专业认证背景下的“机器人学”课程在教学中存在的问题，从教学内容、教学手段、实验教学、科研与教学结合、教学评价体系等方面进行教学改革，取得了一定的效果。谷明信等［7］针对重庆文理学院开设的“机器人学基础”课程为例，分析了应用型本科院校在课程教学上存在的问题，并从内容组织、教学方法、实践教学、教学过程等几方面进行了改革和探索。

以上文献可以看出，“机器人学”的教学过程中还存在着许多不足，许多教师从不同方面对此进行了探讨，并做了相应的改革，但阐述还不够细致，无法适用于每个地方应用型本科院校的教学。为此，本文从课程性质特点出发，针对无锡学院的“机器人学”的教学现状，从多个方面进行了探索，并提出了相应的教改方案。

一、课程性质与特点

“机器人学”不仅是无锡学院机器人工程专业学生的一门专业基础课，也是自动化、机械电子工程两专业的专业课。机器人工程专业学分更多，达到4个学分，64学时，是其他两个专业的两倍之多，可见无锡学院机器人工程专业对这门专业基础课非常重视。该门课主要向同学们讲授机器人的基本概念、机器人本体结构、机器人运动学、机器人动力学、机器人轨迹规划、机器人控制等部分内容。培育学生对机器人理论知识的研究，以及具备一定的实践操作能力，为以后升学、工作深造奠定基石。

然而“机器人学”这门课对于应用型本科院校学生来说，其理论部分抽象难懂，并要求学生具备多学科知识的能力，包括较好的数学计算能力、力学分析能力、控制设计能力等，这更进一步增加了学生对这门课的畏惧。在此之前，该门课一直作为机器人研究方向的研究生必修课程，在本科阶段也只是作为选修课。

二、教学现状分析

对于应用型本科院校的学生而言，以无锡学院为例，在教学实践方面存在着几个不容忽视的问题。

（1）学时安排不合理，配套实验安排较少，理论知识内容过多。目前无锡学院开设“机器人学”课程的只有机器人工程、自动化、机械电子工程专业（其中机械电子工程专业2021年刚开始招生，目前还没到讲授专业课的阶段）。该门课在机器人工程专业为必修课，4学分，64学时，全部为理论授课；其他两专业为选修课，2学分，32学时，也全部为理论授课。本身这门课的知识点就抽象难懂，对学生基础要求较高，学生对课堂讲授的内容经常提不起兴趣，对知识点一知半解。

（2）缺乏适合的教材，市面上多数教材都过于理论化，不适用于应用型高校学生的学习。目前已有的《机器人学》教材中，都是以传统串联机器人为研究对象，从其结构构型、运动学、动力学、轨迹规划、控制等方面内容进行知识输出，对于学生而言，内容太过于理论化。然而，大学生的机器人相关竞赛大都为一些移动机器人、无人机、多足机器人等其他仿真型智能机器人，相比于传统的工业机器人，学生更感兴趣。

（3）教学方法跟不上新课程教学目标的需求。目前，无锡学院“机器人学”的授课方式还是以传统教学方式为主，即老师讲解、学生听的“填鸭式”方法，加上学生的自主学习意识薄弱，限制了学生对知识点的理解和掌握，不利于创新能力的培养。

（4）专业师资力量严重不足。目前教授“机器人学”课程的教师多数毕业于机械电子工程专业，而无锡学院开设的机器人工程专业是隶属于自动化学院的自动化系，教师由于缺乏对自动化专业的了解，知识面较单一，对知识的延展能力稍显不足。且由于课程的特点，急需相关专业的复合型人才，而不是单一性人才。

（5）考核方式较单一，还是以传统考核方式为主，即平时成绩+期末成绩，其中平时成绩以出勤率为依据，占总成绩的30%；期末成绩以卷面考试或者报告的形式考查学生，一般课程性质为必修是以闭卷的形式考查学生对知识点的理解，选修是完成一份课程学习体会报告，占总成绩的70%。这种考查方式很容易使学生忽视对平时学习的重视，经常出现考试前才复习的现象。

以上这些问题都制约着学生对该门课的汲取程度。

三、课程改革方案

下面主要针对应用型本科高校“机器人学”课程存在的一些现状，在教学体系、教学内容、教学方法、师资力量、考核方式等几方面进行初步改革探索。

（一）教学体系改革

“机器人学”作为机器人工程专业的专业核心基础课，其重要性不言而喻，然而大多数高校的课时安排较少，且理论课时与实验课时分配不合理。就以无锡学院为例，由于专业的特性、培养方案的不同，开设“机器人学”的三个专业机器人工程、自动化、机械电子工程在学时安排上也不同，但全部都是理论课时。针对应用型本科院校的特点，可按比例增设一定量的实验课程，比如总学分4学分，64课时分为48可理论课时和16实验课时；总学分2学分，32课时分为32理论课时和8实验课时。通过增设实验课时，可以巩固同学们所学的理论知识以及提升学生学习的热情。就以机器人运动学这一章节讲解为例，该章内容包括：机器人位置和姿态的描述、坐标系的变换、连杆坐标系的建立、DH参数表的建立、正向运动学与逆向运动学求解等内容。教师在讲解时，对内容已经做到细致具体，但学生们还是会听得一知半解，对该课程产生了畏难情绪，越畏惧越不愿去学习，形成了恶性循环。笔者在第二次授课时，在课堂上针对这一章节，基于Matlab的robotic-toolbox工具箱额外给同学们演示了机器人DH参数表的建立，如何依据DH参数表建立机器人模型，正向运动学、逆向运动学是如何求解的。通过仿真演示，同学们对该部分的知识理解也变得透彻了，不再那么畏惧，甚至能对该知识点进行举一反三。

（二）教学内容改革

市面上现用的教材都过于理论化、内容多，需要较好的数学基础和物理学知识，对学生的要求比较高。为激发学生学习的热情，结合应用型本科学生的培养要求，以简化理论难度，增加实践趣味性为宗旨，拟打算从下面几方面来设计教学内容。第一章绪论部分，可参照北京大学谢广明老师［8］的国家精品课程《魅力机器人》，以图文并茂、问答互动的形式介绍机器人的定义、发展史、分类等基本概念，激发学生对机器人的学习兴趣。第二、三章的运动学和动力学部分，通过一些仿真软件，包括基于Matlab的robotic-toolbox工具箱、多体动力学仿真软件Adams，对机器人的运动进行图形动画展示与实例验证，加深学生对这部分知识的理解，做到举一反三。此外，对于机器人动力学部分，由于难度较大，只保留速度雅可比的求解、静力分析以及Lagrange动力学方程的推导三部分内容。第四章轨迹规划部分分为关节空间轨迹规划和笛卡尔空间的轨迹规划，主要介绍三次多项式、五次多项式关节空间轨迹规划方法，直线插补、圆弧插补方法，并结合Matlab的robotic-toolbox工具箱、多体动力学仿真软件Adams，以图形化、动画显示机器人的运动轨迹。第五章机器人控制部分主要以位置控制为主，通过介绍简单的控制算法，例如PID控制、模糊控制，结合Matlab程序编程以及simulink模块搭建机器人控制模型，既为以后同学进一步深造研究打下基礎，也激发了学生学习兴趣，使得听课质量提高。

（三）教学方法改革

以传统教学法为基础，以新的教学方法为辅，尤其是面对线上授课的问题，可以起到很好的效果。传统的教学方法有讲授法、演示法、讨论法等。其中，讲授法能在较短的时间内让同学们获取知识，充分发挥教师在教学中的主导地位；演示法可使得同学们直观地去观察课本上的物理原理与规律，有助于培养学生的观察力，激发学生的认知兴趣；通过课堂讨论，培养学生思维能力、表达能力、团队协作能力。但传统教学法也存在着一些局限性，不利于因材施教，形成被动听讲的习惯；教具的准备较烦琐，容易分散学生的注意力；学生没法系统性地获取知识，且耗时较长，容易偏离主题。这些都制约着同学们对本门课知识的获取。基于此，在“机器人学”教学中，引入一些新的教学方法。范例教学法以典型案例作为指引，以学生学习驱动力为目的，加强学生对知识的理解，深化学生的学习热情。例如，在讲解机器人运动学建模时，以三自由度的串联机器人为案例，给同学们演示其建模过程，并让同学们拓展到其他类型的机器人，结合robotic-toolbox工具箱搭建不同自由度的机器人，可以加深同学们对这部分知识的理解。引导探究法是教师根据知识点内容，由浅入深、循序渐进地以问题的形式引导学生进行思维，可充分发挥学生的主观能动性，培养学生对立思维能力和探究能力，为学生参加机器人竞赛打下夯实的基础。例如，在讲解机器人控制时，教师可引导学生从系统控制模型搭建，到每个模块程序的编写，以及控制算法如何调参，一步步地引导学生。在调参时，先给同学们讲解每个参数对系统控制系能的影响，然后再次引导学生为满足系统性能要求，该如何调节参数，锻炼学生自主学习的能力。

（四）师资力量改革

注重师资培训，尤其是专业领域的技能培训，通过教师自身学识和见识的提升提高教学水平。当前，多数应用型本科院校在招聘时会招一些企业高级工程师，或需要应聘者具有企业任职的经历，即“双师型教师”。对于普通院校型教师，学校应该制定一些合理的政策，鼓励教师去企业挂职锻炼，丰富教师的实践应用能力。同时，学校应该大力制定有效的科研激励政策，鼓励教师提升自身的科研水平，促进科研项目档次和数量的有效提高，并鼓励能力强的学生申请加入教师的科研项目，参加高水平的机器人竞赛。每个教师都应该牢记“教学是一个教师的生存之路，科研是一个教师的发展之路”，做到教学和科研的有效结合。

（五）考核方式改革

目前，无锡学院对“机器人学”这门课的考核方式还是以传统的考核方式为主，即平时成绩+期末成绩，其中平时成绩以出勤率、课后作业、课堂问答情况为依据，占总成绩的30%；期末成绩以卷面考试或者报告的形式考查学生，一般课程性质为必修的是闭卷考试，选修的是报告，占总成绩的70%。尽管这种考试形式一定程度上减弱了以期末考试为定论的考查形式，但对于应用型本科院校的学生来说，基础理论稍薄弱，学生依然充满了畏惧，而且部分学校无法组织大规模的学期考试，因此多种形式的考核方式是有必要的。例如，期末考试主要针对“机器人学”这门课的基本概念、基础理论知识对学生进行考查，占比50%，平时成绩占比增加到50%，除了上述考查形式之外，还包括教师针对每个章节布置的设计题、以学术汇报的形式考查学生对课程的认知情况等。通过多种形式的考核方式，学生在平时查阅资料的过程中拓宽了知识面，锻炼了自主学习的能力。

结语

本文结合无锡学院机器人工程等其他开设“机器人学”课程专业的实际情况，探索了应用型本科院校“机器人学”在教学过程中存在的一些问题，并提出了相应的改革方案。从教学体系、教学内容、教学方法、师资力量、考核方式这几方面进行了探讨，旨在拓展学生的创新思路，激发学生的学习热情，培养学生实践能力和团队协作能力，使得这一门枯燥乏味的理论课程能更容易被理解与掌握。同时，也更适用于线上教育形式，为其他专业课的课改和广大的应用型本科院校课程改革提供了新思路。

参考文献：

［1］刘相权，李启光.机器人学课程教学改革的探索与实践［J］.教育教学论坛，2018（10）：126-128.

［2］陈德潮.大数据背景下机器人学课程的教学改革研究［J］.科技风，2020（05）：56.

［3］王晶，薛光辉.“新工科”背景下机器人学课程教学改革与探索［J］.科技创新导报，2020，17（08）：180-181.

［4］陈修龙，盛永超，高顺，等.《机器人技术》案例库的建设研究［J］.创新创业理论研究与实践，2022，5（11）：161-163.

［5］周妍，张然，王东生.“机器人学”课程混合教学模式探索与实践［J］.职业技术，2022，21（07）：75-82.

［6］张彦斌，宋磊，邱明，等.面向工程教育专业认证的机器人学课程教学改革与实践［J］.中国现代教育装备，2017（09）：32-35.

［7］谷明信，鲁鹏.应用型本科院校机器人学课程教学改革探索［J］.产业与科技论坛，2020，19（04）：191-192.

［8］谢广明.机器人引论——魅力无穷的机器人世界［M］.北京大学出版社，2017.

基金项目：2021年度第一批产学合作协同育人项目“校企合作模式下的工业机器人师资培训课程体系建设”（202101193010）；2021年江苏省高等教育教改研究立项重点课题“新工科背景下地方高校自动化专业应用型人才培养模式研究”（2021JSJG064）

作者简介：席万强（1989— ），男，江苏兴化人，博士，无锡学院自动化学院讲师，主要从事机器人相关技术研究；邵子宴（1990— ），男，山东枣庄人，博士，无锡学院自动化学院讲师，主要从事康复机器人技术研究。